FR3072451A1 - METHOD AND APPARATUS FOR AIR SEPARATION BY CRYOGENIC DISTILLATION - Google Patents
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Abstract
Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, un débit de gaz est détendu dans une turbine de détente cryogénique à une seule roue, ayant une température d'entrée inférieure à -100°C, un gaz est comprimé dans un premier surpresseur (B1) à une seule roue avec une température d'entrée supérieure à -50°C, de l'air est comprimé dans un deuxième surpresseur (B2) à une seule roue avec une température d'entrée inférieure à -100°C, l'air surpressé dans au moins le premier surpresseur se refroidit dans l'échangeur de chaleur le travail généré par la turbine de détente (T), et éventuellement par une deuxième turbine, est utilisé pour l'étape de compression cryogénique dans le premier surpresseur et pour l'étape de compression dans le deuxième surpresseur et la roue du premier surpresseur, la roue du deuxième surpresseur et la roue de la turbine sont montées sur le même axe de rotation.In a cryogenic distillation air separation process, a gas flow is expanded in a single impeller cryogenic expansion turbine, having an inlet temperature below -100°C, a gas is compressed in a first booster (B1) with a single wheel with an inlet temperature above -50°C, air is compressed in a second booster (B2) with a single wheel with an inlet temperature below -100°C, the air boosted in at least the first booster is cooled in the heat exchanger the work generated by the expansion turbine (T), and possibly by a second turbine, is used for the cryogenic compression stage in the first booster and for the compression stage in the second booster and the wheel of the first booster, the wheel of the second booster and the wheel of the turbine are mounted on the same axis of rotation.
Description
La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique.The present invention relates to a method and an apparatus for separating air by cryogenic distillation.
Les unités de séparation d’air par distillation cryogénique (ASU) mettant en œuvre la compression cryogénique d’un gaz sont connues. Un moyen connu de mettre en œuvre cette compression froide est d’entraîner une roue de compression cryogénique par une turbine de détente cryogénique. Néanmoins un tel équipement ne génère pas la production frigorifique nécessaire au fonctionnement des unités de séparation d’air, puisqu’aucun travail n’est extrait de la boite froide. Alors de tels systèmes sont toujours couplés à un moyen de production frigorifique complémentaire. Les moyens connus sont :Air separation units by cryogenic distillation (ASU) implementing cryogenic compression of a gas are known. A known means of implementing this cold compression is to drive a cryogenic compression wheel by a cryogenic expansion turbine. However, such equipment does not generate the refrigeration production necessary for the operation of the air separation units, since no work is extracted from the cold box. So such systems are always coupled to a means of additional refrigeration production. The known means are:
• Frein d’huile : Le travail est extrait par les frottements visqueux de l’axe de rotation sur un film d’huile sous pression contenue dans une cavité autour de l’axe. Ce frottement génère un échauffement de l’huile, qui est refroidie à l’extérieur du système pour évacuer le travail. Ce système présente l’inconvénient de mise en œuvre et d’efficacité. En effet, le travail généré est perdu et nuit à l’efficacité de l’ensemble. Par ailleurs, le système est limité en puissance extraite (env. lOOkW) et ne convient donc pas aux ASU nécessitant une puissance frigorifique supérieure.• Oil brake: The work is extracted by the viscous friction of the axis of rotation on a film of oil under pressure contained in a cavity around the axis. This friction generates heating of the oil, which is cooled outside the system to evacuate the work. This system has the disadvantage of implementation and efficiency. Indeed, the work generated is lost and affects the efficiency of the whole. Furthermore, the system is limited in extracted power (approx. 100kW) and is therefore not suitable for ASUs requiring higher cooling capacity.
• Compresseur frein et réfrigérant : En complément de l’ensemble d’une turbine ayant une température de sortie cryogénique couplée à un compresseur ayant une température d’entrée booster cryogénique, un autre ensemble comprenant une autre turbine couplée à un compresseur est mis en œuvre dans le procédé. La turbine est alors couplée à un compresseur dont la température d’aspiration est ambiante ou légèrement sub-ambiante. La compression du gaz échauffe celui-ci, et il est refroidi dans un échangeur de chaleur (typiquement contre de l’eau) pour en extraire la chaleur, et donc du travail. C’est le moyen le plus répandu dans le champ des ASUs.• Brake and refrigerant compressor: In addition to the assembly of a turbine having a cryogenic outlet temperature coupled to a compressor having a cryogenic booster inlet temperature, another assembly comprising another turbine coupled to a compressor is used. in the process. The turbine is then coupled to a compressor whose suction temperature is ambient or slightly sub-ambient. The compression of the gas heats it, and it is cooled in a heat exchanger (typically against water) to extract the heat, and therefore work. This is the most common method in the field of ASUs.
• Génératrice : La turbine de détente peut également être couplée à une génératrice qui extrait du travail par génération d’énergie électrique envoyée sur un réseau. La vitesse de rotation de cette génératrice est le plus souvent très inférieure à la vitesse de rotation de la turbine, ce qui nécessite un réducteur entre les deux éléments. Cette pièce est onéreuse et génère des pertes par frottement. On trouve également des génératrices à haute vitesse de rotation. Cette génératrice est alors intégrée sur l’axe de la turbine et génère de l’électricité sans besoin d’un réducteur intermédiaire. Un système de traitement du signal électrique (fréquence, etc....) est alors nécessaire pour le rendre compatible des spécifications des réseaux électriques, ou il peut alors être renvoyé. Ces systèmes sont très onéreux et encore limités en puissance générée (environ 250 kW), et ne peuvent servir complètement les besoins des ASUs.• Generator: The expansion turbine can also be coupled to a generator which extracts work by generating electrical energy sent over a network. The speed of rotation of this generator is most often much lower than the speed of rotation of the turbine, which requires a reducer between the two elements. This part is expensive and generates friction losses. There are also generators with high rotational speed. This generator is then integrated on the axis of the turbine and generates electricity without the need for an intermediate reducer. An electrical signal processing system (frequency, etc.) is then necessary to make it compatible with the specifications of the electrical networks, or it can then be returned. These systems are very expensive and still limited in generated power (around 250 kW), and cannot fully serve the needs of ASUs.
Par ailleurs, il est également connu de pouvoir accoupler sur un même arbre une combinaison de compresseurs et turbines. On trouvera par exemple des entraînements de compresseurs par turbine à gaz, qui dévoile une turbine de gaz chaud, entraînant son compresseur d’air et un autre compresseur de produit. Mais ces arrangements, si complexes soient-ils, ne sont pas applicables à l’utilisation cryogénique : type de turbines différentes, températures subambiantes, pas de criticité des pertes thermiques.Furthermore, it is also known to be able to couple on a same shaft a combination of compressors and turbines. There are, for example, compressor drives by gas turbine, which reveals a hot gas turbine, driving its air compressor and another product compressor. But these arrangements, however complex they may be, are not applicable to cryogenic use: different type of turbines, sub-ambient temperatures, no criticality of heat losses.
Selon l’invention, dans une unité de séparation d’air par distillation cryogénique, on génère deux débits comprimés caractérisé en ce que :According to the invention, in an air separation unit by cryogenic distillation, two compressed flows are generated, characterized in that:
• chaque compression se fait dans un étage de compression mono-étagée, • les deux étages de compression sont entraînés soit par la même turbine de détente cryogénique ou par deux turbines distinctes, • la première étape de compression, à partir de la température proche de l’ambiante, permet de générer du travail extérieur à la boite froide, ce qui génère de la puissance frigorifique pour le procédé de séparation d’air, • la seconde étape de compression est une compression cryogénique, qui comprime un gaz soutiré à un niveau intermédiaire de l’échangeur principal à une première température qui est une température cryogénique, et renvoyé vers l’échangeur principal à une température supérieure à la première température.• each compression takes place in a single-stage compression stage, • the two compression stages are driven either by the same cryogenic expansion turbine or by two separate turbines, • the first stage of compression, from the temperature close to ambient, allows to generate work outside the cold box, which generates cooling power for the air separation process, • the second compression step is cryogenic compression, which compresses a gas withdrawn to a level intermediate of the main exchanger at a first temperature which is a cryogenic temperature, and returned to the main exchanger at a temperature higher than the first temperature.
Dans un mode privilégié de mise en œuvre, les deux étapes de compression seront disposées en série sur le même débit. Préférentiellement, ce débit sera une partie du débit d’air total, qui sera d’abord comprimé à partir de la température ambiante, puis à froid. Ce débit, après ré-introduction dans l’échangeur principal, ira jusqu’au bout froid de l’échangeur où il sera (pseudo) liquéfié.In a preferred mode of implementation, the two compression stages will be arranged in series at the same rate. Preferably, this flow will be a part of the total air flow, which will be first compressed from room temperature, then cold. This flow, after re-introduction into the main exchanger, will go to the cold end of the exchanger where it will be (pseudo) liquefied.
Selon l’invention, la roue de la turbine ou des deux turbines, et celles des surpresseurs tournent à la même vitesse de rotation ce qui permet d’intégrer l’ensemble de ces trois ou quatre roues sur un même axe de rotation. De manière surprenante, ceci permet de conserver des rendements thermodynamiques acceptables dans les étapes de compressions et 1’ (les) étape(s) de détente, malgré une vitesse de rotation commune aux trois roues.According to the invention, the wheel of the turbine or of the two turbines, and those of the boosters rotate at the same speed of rotation which makes it possible to integrate all of these three or four wheels on the same axis of rotation. Surprisingly, this makes it possible to maintain acceptable thermodynamic yields in the compression stages and 1 '' stage (s) of expansion, despite a rotation speed common to the three wheels.
Par rapport à l’état de l’art consistant à utiliser deux ensembles « turbine et surpresseur », il devient possible, grâce à l’invention, d’en réduire les coûts d’investissement sans pénaliser dramatiquement l'efficacité du procédé.Compared to the state of the art of using two "turbine and booster" assemblies, it becomes possible, thanks to the invention, to reduce investment costs without dramatically penalizing the efficiency of the process.
L’invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui représentent des procédés selon l’invention.The invention will be described in more detail with reference to the figures which represent methods according to the invention.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique, dans lequel de l’air est comprimé dans un premier compresseur, refroidi dans un échangeur de chaleur et puis séparé dans un système de colonnes, de l’oxygène liquide est vaporisé dans l’échangeur de chaleur à contre courant d’un débit de gaz sous pression qui se (pseudo) condense, un débit de gaz qui est de l’air ou un gaz provenant du système de colonnes est détendu dans une turbine de détente cryogénique à une seule roue, et éventuellement dans une deuxième turbine de détente à une seule roue en parallèle avec la turbine de détente cryogénique chaque turbine ayant une température d’entrée inférieure à 100°C, un gaz qui est de l’air ou un gaz provenant du système de colonnes est comprimé dans un premier surpresseur à une seule roue avec une température d’entrée supérieure à -50°C , un gaz qui est de l’air ou un gaz provenant du système de colonnes est comprimé dans un deuxième surpresseur à une seule roue avec une température d’entrée inférieure à -100°C, le gaz surpressé dans au moins le premier surpresseur se refroidit dans l’échangeur de chaleur , participe à la vaporisation d’oxygène liquide par échange de chaleur dans l’échangeur, et est (pseudo) liquéfié en sortie au bout froid de l’échangeur de chaleur dans lequel :According to an object of the invention, an air separation process is provided by cryogenic distillation, in which air is compressed in a first compressor, cooled in a heat exchanger and then separated in a column system, liquid oxygen is vaporized in the heat exchanger against the flow of a pressurized (pseudo) gas flow under pressure, a gas flow which is air or a gas from the column system is expanded in a single wheel cryogenic expansion turbine, and optionally in a second single wheel expansion turbine in parallel with the cryogenic expansion turbine each turbine having an inlet temperature below 100 ° C, a gas which is air or a gas from the column system is compressed in a first single-wheel blower with an inlet temperature above -50 ° C, a gas which is air or a prov gas enant column system is compressed in a second single-wheel booster with an inlet temperature below -100 ° C, the gas boosted in at least the first booster cools in the heat exchanger, participates in the vaporization liquid oxygen by heat exchange in the exchanger, and is (pseudo) liquefied at the outlet at the cold end of the heat exchanger in which:
a) le travail généré par la turbine de détente et éventuellement la deuxième turbine de détente est utilisé pour l’étape de compression dans le premier surpresseur et pour l’étape de compression dans le deuxième surpresseur, eta) the work generated by the expansion turbine and possibly the second expansion turbine is used for the compression step in the first booster and for the compression step in the second booster, and
b) la roue de la turbine de détente, éventuellement de la roue de la deuxième turbine , de la roue du premier surpresseur et de la roue du deuxième surpresseur ont une vitesse de rotation commune, etb) the wheel of the expansion turbine, possibly of the wheel of the second turbine, of the wheel of the first booster and of the wheel of the second booster have a common speed of rotation, and
c) i) la roue du premier surpresseur, la roue du deuxième surpresseur et la roue de la turbine, et éventuellement la roue de la deuxième turbines sont montées sur le même axe de Rotation ou | ii) le premier et le deuxième surpresseur sont reliés à la roue de la turbine de détente, et éventuellement à la roue de la deuxième turbine, chacun par un axe de rotation, ces axes tournant à vitesse de rotation identique ou iii) le premier surpresseur et la roue de la turbine de détente sont reliés au deuxième surpresseur, chacun par un axe de rotation, ces axes tournant à vitesse de rotation identique.c) i) the wheel of the first booster, the wheel of the second booster and the impeller of the turbine, and possibly the wheel of the second turbines are mounted on the same axis of rotation or | ii) the first and the second booster are connected to the wheel of the expansion turbine, and possibly to the wheel of the second turbine, each by an axis of rotation, these axes rotating at identical rotation speed or iii) the first booster and the wheel of the expansion turbine are connected to the second booster, each by an axis of rotation, these axes rotating at identical speed of rotation.
Selon d’autres aspects facultatifs :According to other optional aspects:
- au moins une des roues parmi la première roue de détente, éventuellement la deuxième roue de détente, la roue du premier surpresseur et la roue du deuxième surpresseur a un rendement inférieur à celui qu'elle aurait, dans les mêmes conditions opératoires, avec une autre vitesse de rotation.- at least one of the wheels among the first expansion wheel, possibly the second expansion wheel, the wheel of the first booster and the wheel of the second booster has a lower yield than it would have, under the same operating conditions, with a other speed of rotation.
- le gaz comprimé dans le premier et le deuxième surpresseur est de l’air destiné à la distillation.- the compressed gas in the first and second booster is air intended for distillation.
- au moins une partie de l’air, voire tout l’air ou au moins une partie du gaz, voire tout le gaz, comprimé dans le premier surpresseur est ensuite comprimée dans le deuxième surpresseur.- at least part of the air, or even all of the air or at least part of the gas, or even all of the gas, compressed in the first booster is then compressed in the second booster.
- le travail produit par la turbine, et éventuellement par la deuxième turbine, n’est pas transféré à une génératrice, à un frein d’huile ou à un compresseur autre que les premier et deuxième surpresseurs.- the work produced by the turbine, and possibly by the second turbine, is not transferred to a generator, an oil brake or a compressor other than the first and second boosters.
- la température d’entrée de la première turbine est plus basse que la température d’entrée du deuxième surpresseur et/ou la température d’entrée du premier surpresseur.- the inlet temperature of the first turbine is lower than the inlet temperature of the second booster and / or the inlet temperature of the first booster.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer de l’air comprimé dans un premier compresseur se refroidir dans l’échangeur de chaleur, un système de colonnes, une conduite pour envoyer l’air refroidi dans l’échangeur de chaleur se séparer dans le système de colonnes, une conduite pour envoyer de l’oxygène liquide du système se vaporiser dans l’échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer d’un débit de gaz sous pression dans l’échangeur de chaleur, une turbine de détente cryogénique, et éventuellement une deuxième turbine de détente , une conduite reliée à un point intermédiaire de l’échangeur de chaleur pour envoyer un débit de gaz qui est de l’air ou un gaz provenant du système de colonnes de l’échangeur de chaleur se détendre dans une turbine de détente cryogénique,) ayant une température d’entrée inférieure à -100°C, et éventuellement dans la deuxième turbine de détente chaque turbine ayant une température d’entrée inférieure à -100°C, un premier surpresseur à un seul étage avec une température d’entrée supérieure à -50°C, une conduite, éventuellement reliée à un point intermédiaire de l’échangeur de chaleur, pour envoyer un gaz qui est de l’air ou un gaz provenant du système de colonnes se surpresser dans le premier surpresseur, un deuxième surpresseur à un seul étage avec une température d’entrée inférieure à -100°C, une conduite reliée à un point intermédiaire de l’échangeur de chaleur pour envoyer un gaz qui est de l’air ou un gaz provenant du système de colonnes se surpresser dans le deuxième surpresseur, une conduite pour envoyer le gaz surpressé dans au moins le premier surpresseur se refroidir dans l’échangeur de chaleur et ainsi participer à la vaporisation d’oxygène liquide par échange de chaleur dans l’échangeur, dans lequel:According to another aspect of the invention, an air separation apparatus is provided by cryogenic distillation comprising a heat exchanger, a pipe for sending compressed air in a first compressor to cool in the heat exchanger, a column system, a line for sending cooled air into the heat exchanger to separate in the column system, a line for sending liquid oxygen from the system to vaporize in the heat exchanger, a line for send a flow of pressurized gas into the heat exchanger, a cryogenic expansion turbine, and possibly a second expansion turbine, a pipe connected to an intermediate point of the heat exchanger to send a flow of gas which is air or gas from the column system of the heat exchanger expand in a cryogenic expansion turbine,) having an inlet temperature below -100 ° C, and optionally in the second expansion turbine each turbine having an inlet temperature below -100 ° C, a first single-stage booster with an inlet temperature above -50 ° C, a pipe, possibly connected to an intermediate point of the heat exchanger, for sending a gas which is air or a gas coming from the column system to overpress in the first booster, a second single-stage booster with a inlet temperature below -100 ° C, a pipe connected to an intermediate point of the heat exchanger to send a gas which is air or a gas coming from the column system to overpress in the second booster, a pipe for sending the gas boosted in at least the first booster to cool in the heat exchanger and thus participate in the vaporization of liquid oxygen by heat exchange in the changer, wherein:
a) la turbine de détente est couplée aux premier et deuxième surpresseurs de sorte que le travail généré par la turbine de détente (T) et éventuellement la deuxième turbine de détente soit utilisé pour l’étape de compression dans le premier surpresseur et pour l’étape de compression dans le deuxième surpresseur et b)a) the expansion turbine is coupled to the first and second boosters so that the work generated by the expansion turbine (T) and possibly the second expansion turbine is used for the compression step in the first booster and for the compression step in the second booster and b)
i) la roue du premier surpresseur, la roue du deuxième surpresseur et la roue de la turbine et éventuellement la roue de la deuxième turbine de détente sont montées sur le même axe de rotation ou ii) le premier et le deuxième surpresseur sont reliés à la roue de la turbine de détente, et éventuellement à la roue de la deuxième turbine, chacun par un axe de rotation, ces axes étant capables de tourner à vitesse de rotation identique ou iii) le premier surpresseur et la roue de la turbine de détente sont reliés au deuxième surpresseur, chacun par un axe de rotation, ces axes étant capables de tourner à vitesse de rotation identique.i) the wheel of the first booster, the wheel of the second booster and the wheel of the turbine and possibly the wheel of the second expansion turbine are mounted on the same axis of rotation or ii) the first and the second booster are connected to the wheel of the expansion turbine, and optionally to the wheel of the second turbine, each by an axis of rotation, these axes being capable of rotating at the same rotation speed or iii) the first booster and the wheel of the expansion turbine are connected to the second booster, each by an axis of rotation, these axes being capable of rotating at the same speed of rotation.
Selon d’autres aspects facultatifs :According to other optional aspects:
- le gaz comprimé dans le premier et le deuxième surpresseur est de l’air destiné à la distillation.- the compressed gas in the first and second booster is air intended for distillation.
- l’appareil comprend des moyens pour envoyer au moins une partie de l’air, voire tout l’air ou au moins une partie du gaz, voire tout le gaz, comprimé dans le premier surpresseur se surpresser dans le deuxième surpresseur.- The apparatus comprises means for sending at least part of the air, or even all of the air or at least part of the gas, or even all of the gas, compressed in the first booster to overpress in the second booster.
- la ou les turbine(s) n’est pas/ne sont pas couplée(s) à une génératrice, à un frein d’huile ou à un compresseur autre que les premier et deuxième surpresseurs.- the turbine (s) is not / are not coupled to a generator, an oil brake or a compressor other than the first and second blowers.
- l’appareil ne comprend pas d’autre turbine de détente- the device does not include any other expansion turbine
La Figure 1 représente un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique dans une [double colonne ayant un minaret facultatif. |Figure 1 shows a process for air separation by cryogenic distillation in a [double column with an optional minaret. |
Un débit d’air comprimé à la pression de la première colonne, désignée par la référence MP, de la double colonne est divisé en deux. Un débit 3 se refroidit dans un échangeur de chaleur principal El et est envoyé à la première colonne MP. Le reste 5 de l’air est surpressé dans un surpresseur auxiliaire S et refroidi dans un refroidisseur R avant d’être divisé en deux.A flow of compressed air at the pressure of the first column, designated by the reference MP, of the double column is divided into two. A flow 3 cools in a main heat exchanger El and is sent to the first column MP. The rest 5 of the air is boosted in an auxiliary booster S and cooled in a cooler R before being divided in two.
Une partie 7 de l’air est envoyée à l’échangeur de chaleur principal El où elle se refroidit jusqu’à une température intermédiaire de cet échangeur qui est inférieure à - 100°C. A cette température le débit 7 est envoyé à une turbine Tl où il est détendu à la pression de la première colonne avant d’être mélangé avec le débit 3 et envoyé à la première colonne. Alternativement, deux turbines en parallèle Tl, T2 peuvent traiter ce débit 7.Part 7 of the air is sent to the main heat exchanger El where it cools down to an intermediate temperature of this exchanger which is lower than -100 ° C. At this temperature the flow 7 is sent to a turbine Tl where it is expanded to the pressure of the first column before being mixed with the flow 3 and sent to the first column. Alternatively, two turbines in parallel T1, T2 can process this flow 7.
Une autre partie 9 de l’air du surpresseur S est envoyée à un premier surpresseur B1 sans avoir été refroidie dans l’échangeur de chaleur El. L’air 9 est ensuite refroidi dans un refroidisseur avant d’être envoyé au bout chaud de l’échangeur de chaleur où il se refroidit à une température intermédiaire de l’échangeur mais supérieure à la température d’entrée de(s) la turbine(s) T. L’air 9 sort de l’échangeur El à cette température intermédiaire et est surpressé dans un deuxième surpresseur B2. L’air surpressé est renvoyé dans l’échangeur El à une température supérieure à la température intermédiaire et à la température d’entrée de(s) la turbine(s) T. L’air surpressé dans B2 poursuit son refroidissement dans l’échangeur de chaleur El jusqu’au bout froid et est détendu dans une vanne V pour rentrer dans la colonne MP sous forme liquide ou pseudo condensé. Une partie de ce liquide détendu peut également être renvoyée vers la colonne basse pression BP.Another part 9 of the air from the booster S is sent to a first booster B1 without having been cooled in the heat exchanger El. The air 9 is then cooled in a cooler before being sent to the hot end of the 'heat exchanger where it cools to an intermediate temperature of the exchanger but higher than the inlet temperature of the turbine (s) T. The air 9 leaves the exchanger El at this intermediate temperature and is boosted in a second B2 booster. The compressed air is returned to the exchanger El at a temperature higher than the intermediate temperature and at the inlet temperature of the turbine (s) T. The compressed air in B2 continues to cool in the exchanger of heat El to the cold end and is expanded in a valve V to enter the column MP in liquid or pseudo-condensed form. Part of this expanded liquid can also be returned to the low pressure column BP.
Le premier et deuxième surpresseurs sont tous deux des surpresseurs mono-étagés, n’ayant qu’une seule roue de compression. La roue du premier surpresseur Bl, la roue du deuxième surpresseur B2 et la roue de la turbine T, éventuellement de la deuxième turbine T2, sont montées sur le même axe de rotation ou sur des axes solidairement liés.The first and second boosters are both single stage boosters, having only one compression wheel. The wheel of the first booster pump Bl, the wheel of the second booster pump B2 and the wheel of the turbine T, possibly of the second turbine T2, are mounted on the same axis of rotation or on axially connected axes.
La turbine T, éventuellement la deuxième turbine, n’est couplée ni à une génératrice ni à un frein d’huile. Elle(s) entraîne(nt) uniquement les premier et deuxième surpresseurs Bl, B2.Turbine T, possibly the second turbine, is neither coupled to a generator nor to an oil brake. It (s) drives (s) only the first and second boosters Bl, B2.
Le premier surpresseur Bl a une température d’entrée supérieure à -50°C, éventuellement supérieure à 0°C, préférentiellement supérieure à 10°C. Le deuxième surpresseur B2 a une température d’entrée inférieure à -100°C.The first blower Bl has an inlet temperature higher than -50 ° C, possibly higher than 0 ° C, preferably higher than 10 ° C. The second B2 booster has an inlet temperature below -100 ° C.
Un liquide enrichi en oxygène et un liquide enrichi en azote sont envoyés de la première colonne MP vers la deuxième colonne, désignée par la référence BP, comme liquides de re^ux. Un gaz de tête de la première colonne se condense dans un condenseur de cuve de la deuxième colonne et est condensé et renvoyé à la première colonne.A liquid enriched in oxygen and a liquid enriched in nitrogen are sent from the first column MP to the second column, designated by the reference BP, as flow liquids. An overhead gas from the first column condenses in a tank condenser in the second column and is condensed and returned to the first column.
Dans le procédé de la Figure 2, seulement deux surpresseurs sont utilisés. Le débit d’air 1 comprimé à une pression au moins 5 bars plus élevée que la pression de la première colonne est divisé en deux parties 7,9. La partie 7 est envoyée à l’échangeur de chaleur principal El où elle se refroidit jusqu’à une température intermédiaire de cet échangeur qui est inférieure à -100°C. A cette température le débit 7 est envoyé à une turbine T où il est détendu à la pression de la première colonne. Alternativement, le débit 7 est traité également dans une deuxième turbine en parallèle de la première. La partie 9 de l’air est surpressée dans un deuxième surpresseur B2. L’air surpressé est envoyée, après refroidissement dans un réfrigérant à eau, au bout chaud de l’échangeur de chaleur El où elle se refroidit à une température intermédiaire de l’échangeur mais supérieure ou égale à la température d’entrée de la première turbine T. L’air 9 sort de l’échangeur El à cette température intermédiaire et est surpressé dans un deuxième surpresseur B2. L’air surpressé est renvoyé dans l’échangeur El à une température supérieure à la température d’entrée de(s) la turbine(s) T. L’air surpressé dans B2 poursuit son refroidissement dans l’échangeur de chaleur El jusqu’au bout froid et est détendu dans une vanne pour rentrer dans la colonne MP sous forme liquide ou pseudo condensé. Une partie de ce liquide détendu peut également être renvoyée vers la colonne basse pression BP.In the process of Figure 2, only two boosters are used. The flow of compressed air 1 at a pressure at least 5 bars higher than the pressure of the first column is divided into two parts 7.9. Part 7 is sent to the main heat exchanger El where it cools down to an intermediate temperature of this exchanger which is lower than -100 ° C. At this temperature the flow 7 is sent to a turbine T where it is expanded to the pressure of the first column. Alternatively, the flow 7 is also treated in a second turbine in parallel with the first. Part 9 of the air is boosted in a second B2 booster. The pressurized air is sent, after cooling in a water cooler, to the hot end of the heat exchanger El where it cools to an intermediate temperature of the exchanger but greater than or equal to the inlet temperature of the first turbine T. The air 9 leaves the exchanger El at this intermediate temperature and is boosted in a second booster B2. The pressurized air is returned to the exchanger El at a temperature higher than the inlet temperature of the turbine (s) T. The air pressurized in B2 continues to cool in the heat exchanger El until at the cold end and is expanded in a valve to enter the MP column in liquid or pseudo-condensed form. Part of this expanded liquid can also be returned to the low pressure column BP.
Le premier et deuxième surpresseurs sont tous deux des surpresseur mono-étagés, n’ayant qu’une seule roue de compression. La roue du premier surpresseur Bl, la roue du deuxième surpresseur B2, la roue de la turbine T, et éventuellement la roue de la deuxième turbine sont montées sur le même axe de rotation ou sur des axes solidairement liés.The first and second boosters are both single-stage boosters, having only one compression wheel. The wheel of the first booster Bl, the wheel of the second booster B2, the wheel of the turbine T, and optionally the wheel of the second turbine are mounted on the same axis of rotation or on axially connected axes.
La turbine T, et éventuellement la deuxième turbine, entraîne(nt) uniquement les premier et deuxième surpresseurs Bl, B2.The turbine T, and possibly the second turbine, drives (s) only the first and second boosters B1, B2.
Le premier surpresseur Bl a une température d’entrée supérieure à 0°C. Le deuxième surpresseur B2 a une température d’entrée inférieure à -100°C.The first blower Bl has an inlet temperature above 0 ° C. The second B2 booster has an inlet temperature below -100 ° C.
Pour les deux figures, le travail généré par la turbine de détente et éventuellement la deuxième turbine de détente, est utilisé pour l’étape de compression cryogénique dans le premier surpresseur et pour l’étape de compression dans le deuxième surpresseur.For the two figures, the work generated by the expansion turbine and possibly the second expansion turbine, is used for the cryogenic compression step in the first booster and for the compression step in the second booster.
Les conditions opératoires de la roue de la turbine de détente T, éventuellement de la roue de la deuxième turbine de détente, de la roue du premier surpresseur B1 et de la roue du deuxième surpresseur B2 sont définies pour permettre une vitesse de rotation commune à ces trois roues.The operating conditions of the wheel of the expansion turbine T, possibly of the wheel of the second expansion turbine, of the wheel of the first booster B1 and of the wheel of the second booster B2 are defined to allow a rotation speed common to these three wheels.
La roue du premier surpresseur Bl, la roue du deuxième surpresseur B2, la roue de 1^ turbine T, et éventuellement la roue de la deuxième turbine de détente sont montées sur le même axe de rotation dans les figures/The wheel of the first booster Bl, the wheel of the second booster B2, the wheel of the turbine T, and possibly the wheel of the second expansion turbine are mounted on the same axis of rotation in the figures /
Sinon chaque surpresseur peut être relié à la roue de la première turbine, et éventuellement de la deuxième turbine, par un axe de rotation, ces axes tournant à vitesse de rotation identique.Otherwise, each booster can be connected to the wheel of the first turbine, and possibly of the second turbine, by an axis of rotation, these axes rotating at the same speed of rotation.
Au moins une des roues parmi la roue de détente, éventuellement la roue de la deuxième turbine, la roue du premier surpresseur et la roue du deuxième surpresseur a un rendement inférieur à celui qu'elle aurait, dans les mêmes conditions opératoires, avec une autre vitesse de rotation.At least one of the wheels among the expansion wheel, possibly the wheel of the second turbine, the wheel of the first booster and the wheel of the second booster has a lower efficiency than it would have, under the same operating conditions, with another rotation speed.
Ainsi au moins une, voire au moins deux, voire toutes les roues ne fonctionnent pas à leur rendement optimal.Thus at least one, even at least two, or even all of the wheels do not operate at their optimum efficiency.
Il sera compris que l’invention s’applique également au cas où un débit d’azote ou un autre gaz provenant de la distillation est surpressé dans un premier surpresseur ayant une température d’entrée supérieure à -50°C et un deuxième surpresseur ayant une température 10 d’entrée inférieure à -100°C.It will be understood that the invention also applies to the case where a flow of nitrogen or another gas originating from the distillation is boosted in a first booster having an inlet temperature above -50 ° C. and a second booster having an inlet temperature below -100 ° C.
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